特開 2023-43214 磁気浮上システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023043214

(43)【公開日】2023-03-29

(54)【発明の名称】磁気浮上システム

(51)【国際特許分類】

   F16C 32/04 20060101AFI20230322BHJP

   H02P 31/00 20060101ALI20230322BHJP

【ＦＩ】

F16C32/04 A

H02P31/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021150695

(22)【出願日】2021-09-16

(71)【出願人】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(74)【代理人】

【識別番号】100210240

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 友幸

(72)【発明者】

【氏名】小川 隆一

(72)【発明者】

【氏名】石橋 達朗

【テーマコード（参考）】

3J102

5H501

【Ｆターム（参考）】

3J102AA01

3J102BA03

3J102CA19

3J102DA03

3J102DA09

3J102DA10

3J102DB10

3J102DB29

3J102DB30

3J102GA12

5H501CC01

5H501GG05

5H501HB16

5H501LL22

(57)【要約】

【課題】少ない部品からなる回路で多くの電磁石巻線の電流を制御する磁気浮上システムを提供する。
【解決手段】磁気浮上システムは、直流源ＤＣと、三相ブリッジ回路と、三相ブリッジ回路の三相出力のそれぞれに一端が接続され他端がＹ結線で接続された電磁石１_U，１_V，１_Wと、三相ブリッジ回路の三相出力のうち少なくとも二相に設けられた電流センサ２と、能動素子のゲート信号を生成する制御部と、を備える。三相ブリッジ回路は、ある１相において上アームに能動素子を接続して下アームにダイオードを接続し、ある２相において下アームに能動素子を接続して上アームにダイオードを接続し、または、ある１相において下アームに能動素子を接続して上アームにダイオードを接続し、ある２相において上アームに能動素子を接続して下アームにダイオードを接続し、直流源ＤＣの出力を直流交流変換して出力する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つの対向する電磁石とそれ以外の１つの電磁石を有し、強磁性体を非接触で浮上させる磁気浮上システムであって、
直流源と、
ある１相において上アームに能動素子を接続して下アームにダイオードを接続し、ある２相において下アームに能動素子を接続して上アームにダイオードを接続し、または、ある１相において下アームに能動素子を接続して上アームにダイオードを接続し、ある２相において上アームに能動素子を接続して下アームにダイオードを接続し、前記直流源の出力を直流交流変換して出力する三相ブリッジ回路と、
前記三相ブリッジ回路の三相出力のそれぞれに一端が接続され、他端がＹ結線で接続された各前記電磁石と、
前記三相ブリッジ回路の三相出力のうち少なくとも二相に設けられた電流センサと、
前記能動素子のゲート信号を生成する制御部と、
を備えたことを特徴とする磁気浮上システム。

【請求項2】

前記制御部は、
２つの対向する前記電磁石が接続されたＶ相，Ｗ相のＶ相電流，Ｗ相電流を（１１）式となるように制御し、それ以外の１つの前記電磁石が接続されたＵ相のＵ相電流を（１８）式となるように制御し、かつ、（１２）式～（１３）式、（１５）式～（１７）式の制約のもとで制御されることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上システム。

【数11】

【数12】

【数13】

【数15】

【数16】

【数17】

【数18】

ｉ_V：Ｖ相電流
ｉ_W：Ｗ相電流
ｉ_U：Ｕ相電流
Ｉ₀：バイアス電流
Ｉ_0U：Ｕ相バイアス電流
Δｉ_U：Ｕ相電流制御量
Δｉ_VW：ＶＷ相電流制御量

【請求項3】

前記制御部は、
Ｕ相浮上力指令に吸引力係数の２倍の逆数を乗算してＵ相電流制御量を出力する第１乗算器と、
ＶＷ相浮上力指令に吸引力係数の２倍の逆数を乗算してＶＷ相電流制御量を出力する第２乗算器と、
前記Ｕ相電流制御量にＵ相バイアス電流を加算してＵ相電流指令値を出力する第１加算器と、
前記Ｕ相電流指令値に－１／２を乗算してバイアス電流を出力する第３乗算器と、
前記ＶＷ相電流制御量に前記バイアス電流を加算してＶ相電流指令値を出力する第２加算器と、
前記バイアス電流から前記ＶＷ相電流制御量を減算してＷ相電流指令値を出力する第１減算器と、
Ｕ相検出電流を前記Ｕ相電流指令値，Ｖ相検出電流を前記Ｖ相電流指令値，Ｗ相検出電流を前記Ｗ相電流指令値に一致させるＰＩ制御によりＵ相電圧指令，Ｖ相電圧指令，Ｗ相電圧指令を出力するＰＩ制御部と、
前記Ｕ相電圧指令，前記Ｖ相電圧指令，前記Ｗ相電圧指令を正規化する正規化部と、
正規化したＵ相電圧指令，Ｖ相電圧指令，Ｗ相電圧指令の三角波比較を行い、Ｕ相比較結果，Ｖ相比較結果，Ｗ相比較結果を出力するＰＷＭ制御部と、
を備え、前記Ｕ相比較結果，前記Ｖ相比較結果，前記Ｗ相比較結果に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の前記能動素子の前記ゲート信号を出力することを特徴とする請求項２記載の磁気浮上システム。

【請求項4】

前記制御部は、
三相のうち二相の検出電流を電流指令値に一致させるＰＩ制御を行い二相の電圧指令を生成し、二相の前記電圧指令から残りの一相の電圧指令を算出し、三相の電圧指令に基づいてＰＷＭ制御を行い、前記ＰＷＭ制御の結果に基づいて前記能動素子の前記ゲート信号を生成することを特徴とする請求項１または２記載の磁気浮上システム。

【請求項5】

前記制御部は、
Ｕ相浮上力指令に吸引力係数の２倍の逆数を乗算してＵ相電流制御量を出力する第１乗算器と、
ＶＷ相浮上力指令に吸引力係数の２倍の逆数を乗算してＶＷ相電流制御量を出力する第２乗算器と、
前記Ｕ相電流制御量にＵ相バイアス電流を加算してＵ相電流指令値を出力する第１加算器と、
前記Ｕ相電流指令値に－１／２を乗算してバイアス電流を出力する第３乗算器と、
前記バイアス電流から前記ＶＷ相電流制御量を減算してＷ相電流指令値を出力する第１減算器と、
Ｕ相検出電流を前記Ｕ相電流指令値，Ｗ相検出電流を前記Ｗ相電流指令値に一致させるＰＩ制御によりＵ相電圧指令，Ｗ相電圧指令を出力するＰＩ制御部と、
前記Ｕ相電圧指令の符号を反転した値と前記Ｗ相電圧指令の符号を反転した値を加算してＶ相電圧指令を出力する第４加算器と、
前記Ｕ相電圧指令，前記Ｖ相電圧指令，前記Ｗ相電圧指令を正規化する正規化部と、
正規化したＵ相電圧指令，Ｖ相電圧指令，Ｗ相電圧指令の三角波比較を行い、Ｕ相比較結果，Ｖ相比較結果，Ｗ相比較結果を出力するＰＷＭ制御部と、
を備え、前記Ｕ相比較結果，前記Ｖ相比較結果，前記Ｗ相比較結果に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の前記能動素子の前記ゲート信号を出力することを特徴とする請求項４記載の磁気浮上システム。

【請求項6】

前記強磁性体は電動機の軸であり、
能動型磁気軸受として前記軸を安定浮上させることを特徴とする請求項１～５のうち何れか一項に記載の磁気浮上システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気浮上システムにおける電磁石制御用の電気回路に関する。

【背景技術】

【0002】

回転体の軸を浮上させ、非接触で回転させる技術として磁気軸受が知られている。磁気軸受には、軸受のオイルレス化が可能になる、軸受の機械損を大幅に低減できる、軸受剛性を任意に設計できる、といった利点がある。そのため高速回転機などに適用されている。

【0003】

磁気軸受システムの構成として、電磁石を用いた磁気浮上がよく知られている。電磁石を用いる磁気軸受では、電磁石巻線の電流を制御し、電磁石の磁界で強磁性体（軸）に対して適切な吸引力を発生させることで安定浮上を達成する。電流制御によって吸引力を能動制御することから、この構成は能動形磁気軸受と呼ばれる。

【0004】

能動形磁気軸受における電磁石制御用の回路について考える。電磁石巻線の電流制御用回路としては、半導体素子特性を利用したリニアアンプが用いられることがある。ただし、これは一般的に軽量のロータ用であり、重量物の場合、すなわち大電流を要する場合には損失が大きく問題になる。

【0005】

数十ｋＷ以上の大容量モータ用には半導体素子のスイッチングにより回路を切り替えて高効率に電流を制御するブリッジ回路が用いられる。この構成はリニアアンプに対してＰＷＭアンプとも呼ばれる。以下では、このようなスイッチングを用いる構成の主回路を単にブリッジ回路と呼ぶことにする。

【0006】

なお、上では数十ｋＷ以上の大容量モータを例に挙げたが、本願発明のブリッジ回路は電磁石の吸引力を用いた磁気浮上であれば適用先は限定しないものとする。

【0007】

ブリッジ回路に関する先行技術文献について説明する。特許文献１～３では、一般的な磁気軸受用ブリッジ回路として能動素子とダイオードで構成した単相ブリッジを用いている。図１２に単相ブリッジ回路を示す。電磁石１には片方の極性の電流しか流さないという前提のもと、能動素子２個（Ｓ１，Ｓ２）という簡素な構成で電流制御用回路を構築している。

【0008】

図１２の能動素子Ｓ１，Ｓ２はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）だが、電流仕様などの関係でＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いてもよい。また、直流源ＤＣについては直流電圧が供給されていれば構成は限定されない。例えば、バッテリ、交流電源を入力とするＡＣ／ＤＣ変換器出力、モータ駆動用インバータの直流リンク部、が考えられる。

【0009】

特許文献４では、三相ブリッジ（いわゆる三相インバータ）の構成で２つの電磁石巻線の電流を独立に制御している。

【0010】

図１３に三相ブリッジ回路を示す。３つのハーフブリッジにより三相の出力を得る三相インバータの形になっている。三相出力のうち二相に電磁石１ｕ，１ｖと電流センサ２が接続される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開平１１－８２５１１号公報

【特許文献2】特許第６６９５５４１号

【特許文献3】特開２０２０－１４８３０８号公報

【特許文献4】特開平８－１４５０５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

しかし、特許文献１～４では制御対象の巻線数に対し部品点数が最適化されていない。

【0013】

特許文献１～３では、電磁石巻線１個に対し単相ブリッジ回路１個を必要とする。言い換えれば、能動素子（ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ）２個、ダイオード２個、電流センサ１個を必要とする。また、この構成は電磁石巻線をすべて独立に制御する構成である。

【0014】

特許文献４では、電磁石巻線２個に対し三相インバータ回路１個を必要とする。言い換えれば、能動素子６個、ダイオード６個、電流センサ２個を必要とする。また、この構成は電磁石巻線をすべて独立に制御する構成であり、かつ電磁石巻線に正負両極性の電流を流せる構成である。

【0015】

後述のように磁気浮上用の電磁石であれば、電磁石巻線の電流は片極性でよく、また個々の電磁石がすべて独立に制御できる必要はない。このことを考慮すれば部品点数を削減でき、コスト・サイズの減少といった利点を得られる。

【0016】

以上示したようなことから、少ない部品からなる回路で多くの電磁石巻線の電流を制御する磁気浮上システムを提供することが課題となる。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、２つの対向する電磁石とそれ以外の１つの電磁石を有し、強磁性体を非接触で浮上させる磁気浮上システムであって、直流源と、ある１相において上アームに能動素子を接続して下アームにダイオードを接続し、ある２相において下アームに能動素子を接続して上アームにダイオードを接続し、または、ある１相において下アームに能動素子を接続して上アームにダイオードを接続し、ある２相において上アームに能動素子を接続して下アームにダイオードを接続し、前記直流源の出力を直流交流変換して出力する三相ブリッジ回路と、前記三相ブリッジ回路の三相出力のそれぞれに一端が接続され、他端がＹ結線で接続された各前記電磁石と、前記三相ブリッジ回路の三相出力のうち少なくとも二相に設けられた電流センサと、前記能動素子のゲート信号を生成する制御部と、を備えたことを特徴とする。

【0018】

また、その一態様として、前記制御部は、２つの対向する前記電磁石が接続されたＶ相，Ｗ相のＶ相電流，Ｗ相電流を（１１）式となるように制御し、それ以外の１つの前記電磁石が接続されたＵ相のＵ相電流を（１８）式となるように制御し、かつ、（１２）式～（１３）式、（１５）式～（１７）式の制約のもとで制御されることを特徴とする。

【0019】

【数11】

【0020】

【数12】

【0021】

【数13】

【0022】

【数15】

【0023】

【数16】

【0024】

【数17】

【0025】

【数18】

【0026】

ｉ_V：Ｖ相電流
ｉ_W：Ｗ相電流
ｉ_U：Ｕ相電流
Ｉ₀：バイアス電流
Ｉ_0U：Ｕ相バイアス電流
Δｉ_U：Ｕ相電流制御量
Δｉ_VW：ＶＷ相電流制御量。

【0027】

また、その一態様として、前記制御部は、Ｕ相浮上力指令に吸引力係数の２倍の逆数を乗算してＵ相電流制御量を出力する第１乗算器と、ＶＷ相浮上力指令に吸引力係数の２倍の逆数を乗算してＶＷ相電流制御量を出力する第２乗算器と、前記Ｕ相電流制御量にＵ相バイアス電流を加算してＵ相電流指令値を出力する第１加算器と、前記Ｕ相電流指令値に－１／２を乗算してバイアス電流を出力する第３乗算器と、前記ＶＷ相電流制御量に前記バイアス電流を加算してＶ相電流指令値を出力する第２加算器と、前記バイアス電流から前記ＶＷ相電流制御量を減算してＷ相電流指令値を出力する第１減算器と、Ｕ相検出電流を前記Ｕ相電流指令値，Ｖ相検出電流を前記Ｖ相電流指令値，Ｗ相検出電流を前記Ｗ相電流指令値に一致させるＰＩ制御によりＵ相電圧指令，Ｖ相電圧指令，Ｗ相電圧指令を出力するＰＩ制御部と、前記Ｕ相電圧指令，前記Ｖ相電圧指令，前記Ｗ相電圧指令を正規化する正規化部と、正規化したＵ相電圧指令，Ｖ相電圧指令，Ｗ相電圧指令の三角波比較を行い、Ｕ相比較結果，Ｖ相比較結果，Ｗ相比較結果を出力するＰＷＭ制御部と、を備え、前記Ｕ相比較結果，前記Ｖ相比較結果，前記Ｗ相比較結果に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の前記能動素子の前記ゲート信号を出力することを特徴とする。

【0028】

また、他の態様として、前記制御部は、三相のうち二相の検出電流を電流指令値に一致させるＰＩ制御を行い二相の電圧指令を生成し、二相の前記電圧指令から残りの一相の電圧指令を算出し、三相の電圧指令に基づいてＰＷＭ制御を行い、前記ＰＷＭ制御の結果に基づいて前記能動素子の前記ゲート信号を生成することを特徴とする。

【0029】

また、その一態様として、前記制御部は、Ｕ相浮上力指令に吸引力係数の２倍の逆数を乗算してＵ相電流制御量を出力する第１乗算器と、ＶＷ相浮上力指令に吸引力係数の２倍の逆数を乗算してＶＷ相電流制御量を出力する第２乗算器と、前記Ｕ相電流制御量にＵ相バイアス電流を加算してＵ相電流指令値を出力する第１加算器と、前記Ｕ相電流指令値に－１／２を乗算してバイアス電流を出力する第３乗算器と、前記バイアス電流から前記ＶＷ相電流制御量を減算してＷ相電流指令値を出力する第１減算器と、Ｕ相検出電流を前記Ｕ相電流指令値，Ｗ相検出電流を前記Ｗ相電流指令値に一致させるＰＩ制御によりＵ相電圧指令，Ｗ相電圧指令を出力するＰＩ制御部と、前記Ｕ相電圧指令の符号を反転した値と前記Ｗ相電圧指令の符号を反転した値を加算してＶ相電圧指令を出力する第４加算器と、前記Ｕ相電圧指令，前記Ｖ相電圧指令，前記Ｗ相電圧指令を正規化する正規化部と、正規化したＵ相電圧指令，Ｖ相電圧指令，Ｗ相電圧指令の三角波比較を行い、Ｕ相比較結果，Ｖ相比較結果，Ｗ相比較結果を出力するＰＷＭ制御部と、を備え、前記Ｕ相比較結果，前記Ｖ相比較結果，前記Ｗ相比較結果に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の前記能動素子の前記ゲート信号を出力することを特徴とする。

【0030】

また、その一態様として、前記強磁性体は電動機の軸であり、能動型磁気軸受として前記軸を安定浮上させることを特徴とする。

【発明の効果】

【0031】

本発明によれば、少ない部品からなる回路で多くの電磁石巻線の電流を制御する磁気浮上システムを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】実施形態１における磁気浮上システムの主回路構成を示す回路図。

【図2】実施形態１における磁気浮上システムの制御部を示すブロック図。

【図3】電磁石による吸引制御を示す説明図。

【図4】対向する電磁石による吸引制御を示す説明図。

【図5】単相ハーフブリッジ回路を示す図。

【図6】三相ブリッジ回路の定数定義を示す図。

【図7】三相ブリッジ回路の不適切な接続例を示す図。

【図8】実施形態１における電磁石配置例を示す図。

【図9】電流制御のシミュレーション結果を示す図。

【図10】吸引制御のシミュレーション結果を示す図。

【図11】実施形態２における磁気浮上システムの制御部を示すブロック図。

【図12】従来における磁気浮上システムの主回路構成の一例を示す回路図。

【図13】従来における磁気浮上システムの主回路構成の他例を示す回路図。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、本願発明における磁気浮上システムの実施形態１～３を図１～図１１に基づいて詳述する。

【0034】

［実施形態１］
図１に本実施形態１の三相ブリッジ回路を示す。この回路構成においては、直流源ＤＣに対して能動素子Ｓ_U，Ｓ_V，Ｓ_WとダイオードＤ_U，Ｄ_V，Ｄ_Wを上下アームに配置したブリッジを３並列にする。三相ブリッジ回路の三相出力をそれぞれ電磁石巻線１_U，１_V，１_Wの一端（一次側）と接続する。３つの電磁石巻線１_U，１_V，１_Wは他端（二次側）でＹ結線される。三相出力のうち少なくとも二相に電流センサ２が接続される。

【0035】

能動素子Ｓ_U，Ｓ_V，Ｓ_WとダイオードＤ_U，Ｄ_V，Ｄ_Wの配置について述べる。図１では、一相において能動素子を上アーム（正側）かつダイオードを下アーム（負側）に配置し、二相では逆に能動素子を下アームかつダイオードを上アームに配置する。

【0036】

ここで重要なのは、能動素子とダイオードの上下配置について、三相をすべて同じにせず一相と二相に分ける点である。すなわち、ある１相において上アームに能動素子を接続して下アームにダイオードを接続し、ある２相において下アームに能動素子を接続して上アームにダイオードを接続する。または、ある１相において下アームに能動素子を接続して上アームにダイオードを接続し、ある２相において上アームに能動素子を接続して下アームにダイオードを接続する。

【0037】

図１は本実施形態１の代表的な構成であり、構成は図１に限らない。例えば、図１２と同様、能動素子や直流部は図示した記号に限定されない。すなわち、能動素子にＩＧＢＴではなくＭＯＳＦＥＴを用いる構成、直流源ＤＣに交流電源を入力とするＡＣ／ＤＣ変換器出力を用いる構成なども許容される。その他の部分についても、電流センサ２を異なる相の組み合わせに設ける構成、直流部に平滑用コンデンサを持つ構成なども本実施形態１に含まれる。

【0038】

図２に本実施形態１における制御部のブロック図を示す。

【0039】

第１乗算器３は、Ｕ相浮上力指令Ｆ_U ^*と電流に関する吸引力係数Ｋｉの２倍の逆数との積を取り、Ｕ相電流制御量Δｉ_Uを算出する。第２乗算器４は、ＶＷ相浮上力指令Ｆ_VW ^*と電流に関する吸引力係数Ｋｉの２倍の逆数との積を取り、ＶＷ相電流制御量Δｉ_VWを算出する。この際、対向する電磁石の差分で吸引力が発生することを考慮し、差分でちょうどＵ相電流制御量Δｉ_U，ＶＷ相電流制御量Δｉ_VWという値になるよう、１／Ｋｉに１／２を乗算している。

【0040】

第１加算器５は、Ｕ相電流制御量Δｉ_UとＵ相バイアス電流Ｉ_0Uを加算する。第１加算器５の出力がＵ相電流指令値Ｉ_Uとなる。第３乗算器６，７は、第１加算器５の出力であるＵ相電流指令値Ｉ_Uに－１／２を乗算する。第３乗算器６，７の出力がバイアス電流Ｉ₀となる。第２加算器８は、バイアス電流Ｉ₀にＶＷ相電流制御量Δｉ_VWを加算する。第２加算器８の出力がＶ相電流指令値Ｉ_Vとなる。第１減算器９はバイアス電流Ｉ₀からＶＷ相電流制御量Δｉ_VWを減算する。第１減算器９の出力がＷ相電流指令値Ｉ_Wとなる。

【0041】

このように、Ｕ相電流制御量Δｉ_UとＶＷ相電流制御量Δｉ_VW、およびＵ相バイアス電流Ｉ_0Uから、後述する（１１）式，（１５）式，（１８）式を満たすよう加減算を行い、これらの結果を電流指令とする。

【0042】

第３加算器１０は、Ｕ相検出電流ｉ_Udetの符号を反転した値とＷ相検出電流ｉ_Wdetの符号を反転した値を加算してＶ相検出電流ｉ_Vdetを演算する。

【0043】

ＰＩ制御部１１_U，１１_V，１１_Wは、Ｕ相検出電流ｉ_Udet，Ｖ相検出電流ｉ_Vdet，Ｗ相検出電流ｉ_WdetをＵ相電流指令値Ｉ_U，Ｖ相電流指令値Ｉ_V，Ｗ相電流指令値Ｉ_Wに一致させるＰＩ制御によりＵ相電圧指令ｖ_U ^*，Ｖ相電圧指令ｖ_V ^*，Ｗ相電圧指令ｖ_W ^*を生成する。

【0044】

正規化部１２_U，１２_V，１２_Wは、Ｕ相電圧指令ｖ_U ^*，Ｖ相電圧指令ｖ_V ^*，Ｗ相電圧指令ｖ_W ^*にそれぞれ２／ｖ_dcを乗算して、直流電圧ｖ_dc基準に正規化し、ＰＷＭ制御部１３に出力する。

【0045】

ＰＷＭ制御部１３では正規化されたＵ相電圧指令，Ｖ相電圧指令，Ｗ相電圧指令とキャリア三角波との三角波比較を行い、各相の大小比較結果が出力される。Ｕ相比較結果は図１の能動素子Ｓ_Uを駆動するゲート信号ｇ_Uとなる。Ｖ相比較結果は第１ＮＯＴ素子１４により反転する。第１ＮＯＴ素子１４の出力が能動素子Ｓ_Vを駆動するゲート信号ｇ_Vとなる。Ｗ相比較結果は第２ＮＯＴ素子１５により反転する。第２ＮＯＴ素子１５の出力が能動素子Ｓ_Wを駆動するゲート信号ｇ_Wとなる。Ｖ相、Ｗ相の比較結果を反転する理由は、図１の構成でＶ相，Ｗ相が下アームに能動素子を配置していることを考慮したものである。

【0046】

図１の動作を明らかにする前に、まず、磁気浮上システムにおける電磁石巻線電流について考える。

【0047】

電磁石巻線の電流について検討した後、電流制御の前提を示し、それを達成するための図１の制御方法・動作を示す。

【0048】

図３に電磁石１による吸引力制御を示す。電磁石１によって軸１６を安定浮上させるとき、重力などの定常的な力をつり合わせた後の平衡点を基準として、軸１６の運動は（１）式で、また個々の吸引力は（２）式で表される。ｍは軸の質量［ｋｇ］、ｘは軸の変位［ｍ］、ｉは巻線電流［Ａ］、Ｆｘはｘ軸方向の吸引力［Ｎ］、Ｆ_distは外力［Ｎ］、Ｋｘは変位に関する吸引力係数［Ｎ／ｍ］、Ｋｉは電流に関する吸引力係数［Ｎ／Ａ］であり、変数上部のドットは１つにつき１階の微分を表すものとする。

【0049】

【数1】

【0050】

【数2】

【0051】

（２）式の電流ｉを変位ｘや外力Ｆ_distの変化に応じて適切に増減することで、（１）式で表される運動を安定化することができる。軸１６の運動には回転運動や軸方向（スラスト方向）の推進運動もあるが、議論は同様であり、該当運動方向を制御可能な電磁石１について電流制御を行えば安定浮上が達成できる。

【0052】

ここで、（２）式は動作点まわりで吸引力が線形に変化するという仮定に基づいた立式であることに注意する。電流ゼロの状態を基準に電流を増減させる場合、一般に吸引力は非線形に増減する。このとき（２）式の関係が成り立たず、吸引力の制御は複雑化する。そこで、電磁石を対向設置してバイアス電流を流し、バイアス電流を基準に吸引力が線形な領域で電流を増減するという構成がしばしば用いられる。

【0053】

図４に対向する電磁石１，１による吸引力制御を示す。左側の電磁石巻線にはＩ₀＋Δｉ、右側の電磁石巻線にはＩ₀－Δｉの電流が流れている。変位に応じて発生する吸引力を除いて電流起因の吸引力を考えると、バイアス電流Ｉ₀の分の吸引力は左右で打ち消されるため、軸１６の運動に寄与する吸引力は電流差分２Δｉで生じる分のみとなる。したがって、この構成ではバイアス電流Ｉ₀が軸１６の運動に寄与することなく、線形に吸引力を制御できる。

【0054】

また、強磁性体の軸１６と電磁石１の間に発生する力については、電磁石１の磁極方向に関わらず吸引方向の力となる。つまり、電流極性に関わらず軸１６には吸引力が発生し、電流絶対値によって力の大きさが変動する。なお、もし電磁石磁極の向きが問題となる構成を用いるとしても、ブリッジ回路と電磁石の接続端子を入れ替えるだけで磁極方向を反転でき、容易に適切な磁極方向へと変更できる。よって、いずれにせよ軸の磁気浮上において電流極性は問題にならない。

【0055】

以上を考慮すると、電磁石巻線の電流制御では以下の項目を前提としてよい。
Ａ）動作中、電磁石ごとの電流極性は一定である。
Ｂ）電流の正負は自由に選択できる。
Ｃ）対向する電磁石の電流はバイアス電流を基準に増減する。

【0056】

この前提の下で図１の動作を説明する。

【0057】

図１の回路構成は三相のブリッジ回路の出力に３つの電磁石１_U，１_V，１_Wを接続している。ただし、各相のブリッジは上下アームの一方に能動素子Ｓ_U，Ｓ_V，Ｓ_Wを、もう一方にダイオードＤ_U，Ｄ_V，Ｄ_Wを接続する。また、電磁石巻線の他端は電磁石同士でＹ結線される。

【0058】

まず、三相のブリッジのうち一相の動作を確認する。図５に単相ハーフブリッジ回路を示す。わかりやすさのために直流源ＤＣの直流電圧ｖｄｃを仮想的に２つに分割し中間の点を中性点とする。また、図５の通り出力電流ｉ_outと出力電位ｖ_outを定義する。

【0059】

この回路では能動素子Ｓを上アーム、ダイオードＤを下アームに接続しているため、出力電流ｉ_outが負の場合に電流経路が存在しない。よって、（３）式のように出力電流ｉ_outは０あるいは正のみとなる。上述の前提のように電流極性が片側でも磁気浮上制御では問題とならない。

【0060】

【数3】

【0061】

次に、能動素子Ｓの動作状態ごとの出力電位ｖ_outを考える。能動素子Ｓはゲート信号によって導通状態と絶縁状態を切り替えることができるが、本実施形態１では導通状態をＯＮ、絶縁状態をＯＦＦと呼ぶことにする。上アームの能動素子ＳのＯＮ／ＯＦＦによって出力電位ｖ_outを場合分けすると、ＯＮでは上アームを通る経路、ＯＦＦでは下アームを通る経路となるため、（４）式の形になる。

【0062】

【数4】

【0063】

（４）式から、上アームの能動素子Ｓのスイッチングにより正負の値を持つパルス電圧を出力できることがわかる。そして、指令電圧と三角波の大小比較などといったＰＷＭ手法でパルス幅を管理すれば、－（ｖｄｃ／２）から＋（ｖｄｃ／２）の間の任意の電圧値を近似的に出力することができる。

【0064】

なお、下アームに能動素子Ｓが接続された単相ハーフブリッジ回路では極性が逆転し、（５）式、（６）式の関係が成り立つ。以上が単相ハーフブリッジ回路の動作である。

【0065】

【数5】

【0066】

【数6】

【0067】

以下では、三相ブリッジ回路について考える。三相ブリッジ回路は単相ハーフブリッジ回路を３つ組み合わせることで構成される。ただし、上アームと下アームのどちらに能動素子を配置するかについては注意を要する。

【0068】

図６に三相ブリッジ回路の定数定義を示す。図５と同様、直流源ＤＣの直流電圧ｖｄｃを２分割した。また、三相のブリッジ回路をＵ相、Ｖ相、Ｗ相とみなし、電流ｉ_U，ｉ_V，ｉ_W、能動素子Ｓ_U，Ｓ_V，Ｓ_W、出力電位ｖ_U，ｖ_V，ｖ_Wを定義した。

【0069】

背景技術の図１２は単相であり、電流経路のために電磁石１の左右にブリッジ回路を接続するフルブリッジ構成を用いていた。それに対して図６では電磁石１_U，１_V，１_Wの他端のＹ結線により相同士が電流経路を作るため、ハーフブリッジ３つで三相の電流を制御することができる。

【0070】

ここで、他端のＹ結線部に流れ込む電流を考えると（７）式の関係が成り立つ。

【0071】

【数7】

【0072】

（７）式は電流の極性という点で重要な制約であり、この制約により三相ブリッジ回路の接続は限定される。

【0073】

図７に三相ブリッジ回路の不適切な接続例を示す。これは、三相全てで上アームに能動素子Ｓ_U，Ｓ_V，Ｓ_Wを接続した場合の三相ブリッジ回路である。上述の単相ハーフブリッジ回路の議論から、図７の構成においては（８）式の関係が成り立つ。しかし、（７）式と（８）式の両立を考えると明らかに（９）式のように全相で電流が流れない結果になってしまう。この構成は電磁石巻線の電流制御用回路として不適切であると言える。

【0074】

【数8】

【0075】

【数9】

【0076】

このようにＹ結線の制約である（７）式を考えると、すべての相が上アームに能動素子Ｓ_U，Ｓ_V，Ｓ_Wを接続する構成、およびすべての相が下アームに能動素子Ｓ_U，Ｓ_V，Ｓ_Wを接続する構成は許容されない。言い換えると、三相のうち上アームに能動素子を持ち下アームにダイオードを持つ相と、上アームにダイオードを持ち下アームに能動素子を持つ相が、それぞれ一相と二相、あるいは二相と一相、で構成されなければならない。

【0077】

能動素子の配置の三相での組み合わせは様々な態様とすることができるが、ここでは図６を基準とおくことにする。図６においてはＵ相が上アームに能動素子、Ｖ相とＷ相が下アームに能動素子を接続するブリッジであるため、（１０）式が成り立つ。

【0078】

【数10】

【0079】

（１０）式のもとであれば、（７）式を考慮しても電流はゼロ以外の値を取ることができる。また、上述の前提Ａ，Ｂで示したように電流の極性は固定かつ自由に設定してよいので、（１０）式の制約がある構成でも磁気浮上制御として問題は生じない。

【0080】

そして、（７）式、（１０）式のもとでは三相の電流すべてを独立に制御することはできないが、これは上述の前提Ｃを考慮すると問題にはならない。これについて以下に詳細を述べる。

【0081】

図８に実施形態１の電磁石配置例を示す。Ｖ相、Ｗ相の電磁石が対向しているとすると、Ｖ相電流ｉ_V，Ｗ相電流ｉ_Wを（１１）式の形に制御すればよいことになる。ただし、Ｉ₀はバイアス電流、Δｉ_VWは浮上制御のための巻線電流制御量（ＶＷ相電流制御量）である。（１０）式の制約を考え、バイアス電流Ｉ₀とＶＷ相電流制御量Δｉ_VWは（１２）式、（１３）式の関係を満たすものとする。

【0082】

【数11】

【0083】

【数12】

【0084】

【数13】

【0085】

このとき、Ｕ相巻線の電流は（７）式と（１１）式より（１４）式の形になる。

【0086】

【数14】

【0087】

Ｕ相電磁石に対向する電磁石Ｘが存在し、別の構成、例えば図１２などで適切に電流制御されているとする場合、Ｕ相巻線も何らかのバイアス電流を基準に電流を増減させることになる。このとき、Ｖ相とＷ相の電流に同じだけの電流値を増減しても対向する電磁石によって吸引力基準では打ち消されることから、バイアス電流Ｉ₀を（１５）式のようにＵ相バイアス電流Ｉ_0UとＵ相電流制御量Δｉ_Uの加算と見ることにする。

【0088】

つまり、Ｖ相とＷ相でＵ相バイアス電流Ｉ_0U，Ｕ相電流制御量Δｉ_Uに応じて同じ値だけバイアス電流を変化させることにする。ただし、Ｕ相バイアス電流Ｉ_0UとＵ相電流制御量Δｉ_Uは（１６）式、（１７）式を満たすものとする。このようにすれば、Ｕ相電流ｉ_Uは（１８）式の形になり、Ｖ相、Ｗ相方向の吸引力に影響を与えずにＵ相巻線の電流をバイアス電流基準で制御できる。

【0089】

【数15】

【0090】

【数16】

【0091】

【数17】

【0092】

【数18】

【0093】

以上のように、（７）式かつ（１０）式を満たす（１１）式～（１３）式および（１５）式～（１７）式の制約のもとで電磁石巻線の電流を磁気浮上制御として適切に制御できる。すなわち、２つの対向する電磁石が接続されたＶ相，Ｗ相のＶ相電流ｉ_v，Ｗ相電流ｉ_Wを（１１）式となるように制御し、それ以外の１つの電磁石が接続されたＵ相のＵ相電流ｉ_Uを（１８）式となるように制御し、かつ、（１２）式～（１３）式、（１５）式～（１７）式の制約のもとで制御される。

【0094】

能動素子のスイッチングパターンと出力電位の関係を表１に示す。ここでは該当素子がＯＮであれば１、ＯＦＦであれば０としてスイッチングパターンを示している。能動素子Ｓ_V，Ｓ_Wは下アームに接続されているため、一般的な三相インバータとはＯＮ／ＯＦＦの扱いが反転していることに注意されたい。

【0095】

【表1】

【0096】

図２はここまでの内容をふまえた制御ブロック図である。吸引力のうち電流が寄与する成分を吸引力指令とし、それと１／Ｋｉとの積で電流値に換算する。対向する電磁石の差分で吸引力を発生させるため、相ごとの制御量は半分ずつでよくなることを考慮して１／２倍も行い、Ｕ相電流制御量Δｉ_U，ＶＷ相電流制御量Δｉ_VWという電流制御量が得られる。

【0097】

その後、（１１）式，（１５）式，（１８）式より各相の電流指令値を演算し、検出値との偏差でＰＩ制御を行う。ＰＩ制御結果のＵ相，Ｖ相，Ｗ相電圧指令ｖ_U ^*，ｖ_V ^*，ｖ_W ^*は直流電圧ｖｄｃを用いて正規化され、ＰＷＭにて三角波比較を行う。

【0098】

三角波比較結果が、能動素子を駆動するゲート信号となるが、その際、Ｖ相とＷ相は下アームに能動素子を配置していることを考慮し、信号をＮＯＴ論理で反転している。

【0099】

以上のように、図２のブロック図によって図１の三相ブリッジ回路で磁気軸受用電磁石の電流制御を行うことができる。

【0100】

シミュレーションにより、本実施形態１の動作を検証する。図８に示すように電磁石が配置されているとみなし、Ｕ相に対向する電磁石をＸ，その巻線電流をｉ_Xとおく。電磁石Ｘは別途理想的に制御されているとみなした。電磁石ＸはＵ相の電磁石１_Uとの電流差分で吸引力を適切に発生できるように制御される。例えば、電磁石Ｘを図１２の通りに接続し、特許文献３に記載の方法で制御すればよい。

【0101】

またこの構成では、Ｕ相の電磁石１_Uの電流ｉ_Uの制御は、Ｕ相に対向する電磁石Ｘの制御とは独立して行う。よって、Ｕ相の電磁石１_Uの電流ｉ_Uの制御では、Ｕ相に対向する電磁石Ｘの制御回路からの情報を得ることなく、軸の上下方向の吸引力をバランスさせることができる。

【0102】

また、図８において、Ｕ相の電磁石１_Uを軸に鉛直な上方向に配置して、かつ、図２，図３のＵ相浮上力指令Ｆ_U ^*を軸の重量に見合った値に設定するのならば、図８の電磁石Ｘを省いてもよい。

【0103】

直流電圧８０［Ｖ］、電磁石インダクタンス５０［ｍＨ］、巻線抵抗１．０［Ω］、電流に関する吸引力係数は４［Ｎ／Ａ］、Ｕ相バイアス電流５［Ａ］でシミュレーションを行った。

【0104】

図９に電流制御シミュレーション結果を示す。ＵＶＷ相すべてで、電流指令値ｉ_Uref，ｉ_Vref，ｉ_Wrefに変化があっても各相の電流ｉ_U，ｉ_V，ｉ_Wは指令値通りの値に収束している。電磁石Ｘの電流ｉ_Xは理想的な動作を仮定したため電流指令値ｉ_Xrefに完全追従している。ｉ_Uとｉ_X，ｉ_Vとｉ_Wはバイアス電流を基準に制御電流の分だけ互いに逆の極性で増減している。ｉ_Uの制御量変動時はｉ_V，ｉ_Wのバイアス電流が変化している様子もわかる。

【0105】

図１０に吸引力制御シミュレーション結果を示す。これは図９と同時刻の吸引力波形を示している。ここでのＵ相，ＶＷ相浮上力Ｆ_U，Ｆ_VWはＵ相方向、Ｖ相Ｗ相方向の吸引力であるが、変位に起因する吸引力や外力を考慮しない電流起因の吸引力のみを考えている。Ｕ相，ＶＷ相浮上力Ｆ_U，Ｆ_VWともに指令通りの値に収束している。

【0106】

以上のように、本実施形態１の構成で磁気浮上として適切な電磁石巻線の電流制御を行うことができることが示された。

【0107】

本実施形態１によれば、特許文献１～４に対し、能動素子（ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ等）、ダイオード、電流センサといった部品の個数を削減できる。

【0108】

部品点数削減の例として電磁石４個について、本実施形態１の構成を１個かつ特許文献１（図１２）の構成を１個で制御する構成、特許文献１（図１２）を４個で制御する構成、特許文献４（図１３）の構成を２個で制御する構成の部品点数で比較を行う。表２に電磁石４個の場合で換算した場合の部品点数の比較を示す。

【0109】

【表2】

【0110】

表２に示すように、能動素子、ダイオード、電流センサのすべてについて本実施形態１の１個と特許文献１からなる構成が最小の部品点数である。部品点数に関する本実施形態１の優位性が示された。

【0111】

［実施形態２］
図１１に本実施形態２の制御部のブロック図を示す。図２からは、Ｖ相電流に関する加減算とＰＩ制御がなくなり、代わりにＵ相電圧指令ｖ_U ^*とＷ相電圧指令ｖ_W ^*からＶ相電圧指令ｖ_V ^*を演算する構成が追加されている点が異なる。

【0112】

すなわち、図２の第３乗算器６、第２加算器８、第３加算器１０、ＰＩ制御部１１_Vを削除する。一方、第４加算器１７において、Ｕ相電圧指令ｖ_U ^*の符号を反転した値とＷ相電圧指令ｖ_W ^*の符号を反転した値を加算してＶ相電圧指令ｖ_V ^*を出力する。

【0113】

実施形態１の制御部では三相ともにＰＩ制御を行ったが、（７）式の関係を考慮して、（１９）式のようにＵ相電圧指令ｖ_U ^*とＷ相電圧指令ｖ_W ^*からＶ相電圧指令ｖ_V ^*を演算してもよい。

【0114】

【数19】

【0115】

図１１ではＶ相のＰＩ制御を削除し、（１９）式の演算によってＶ相電圧指令ｖ_V ^*を生成した。以上が本実施形態２である。なお、ＰＩ制御演算を省略するのはＶ相である必要はない。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のうちいずれか一相について同様の構成とすることができる。

【0116】

以上示したように、本実施形態２によれば、実施形態１と同様の作用効果を奏する。

【0117】

［実施形態３］
上述の磁気浮上システムでは電磁石が図８のように配置されるとした。しかし、重要なのはＶ相とＷ相の電磁石が対向していることであり、Ｕ相とＶＷ相で直交する位置になくてもよい。また、Ｕ相電磁石のみ離れた位置、異なる制御方向、異なる浮上対象の浮上制御に用いられていてもよい。

【0118】

以上のように、実施形態１の電磁石配置に限らず、磁気浮上のために存在する電磁石のうち対向する１対の電磁石とそれ以外の電磁石１つを制御していれば構成は問わない。これを本実施形態３とする。

【0119】

本実施形態３は多様な電磁石の個数に対して適用可能である。多数ある電磁石のうち少なくとも一部を実施形態１，２の主回路構成、制御部で制御すれば部品点数を削減することができる。

【0120】

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

【符号の説明】

【0121】

ＤＣ…直流源
Ｓ_U，Ｓ_V，Ｓ_W…能動素子
Ｄ_U，Ｄ_V，Ｄ_W…ダイオード
１_U，１_V，１_W…電磁石
２…電流センサ
３…第１乗算器
４…第２乗算器
５…第１加算器
６，７…第３乗算器
８…第２加算器
９…第１減算器
１０…第３加算器
１１_U，１１_V，１１_W…ＰＩ制御部
１２_U，１２_V，１２_W…正規化部
１３…ＰＷＭ制御部
１４…第１ＮＯＴ素子
１５…第２ＮＯＴ素子
１６…軸
１７…第４加算器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】